Tecto-geomorphic analysis and selection of trench sites along Haiyuan fault in Songshan site based on high-resolution airbone LiDAR data
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摘要:
基于高精度机载LiDAR数据在GIS平台的地貌因子渲染分析, 对海原断裂老虎山段松山地区古地震研究点进行高精度大比例尺(1:1000)地貌填图, 勾勒出研究点微地貌空间展布和断裂高精度几何形态。通过对松山古地震研究点2个新探槽的开挖, 结合细致的探槽解译、地震事件识别与分期、年代学样品测试, 得出5次37380±880BP以内的不连续古地震序列。通过对比此处已经开挖的各自相距不足150m、分布于断裂同一段落的4个古地震探槽的微地貌位置、沉积特征和地震事件信号强弱, 发现即使相距不远, 不同微地貌位置古地震探槽揭示的古地震现象也会有显著差别。这种差别凸显了古地震研究结果, 如揭示的事件证据和个数等与探槽点位置的选取有较强的依赖性。综合对比分析表明, 较低的地势、低能静水环境、高沉积速率、细粒的沉积物源区及连续的沉积环境是走滑断裂上开展古地震研究的优选地貌位置。实例表明, 基于高精度地形数据对研究点开展精细地貌填图揭示微地貌时空演化, 从而在探槽开挖前对古地震研究点的构造地貌优劣进行充分评价是提高古地震研究质量的必要程序, 同时也显示出高精度机载LiDAR数据在活动构造研究中的重要新应用。
Abstract:In this paper, the authors first carried out a large-scale(1:1000) tecto-geomorphic mapping in the vicinity of the Song-shan paleoseismic study site on the Laohushan section of the Haiyuan fault by using high resolution(1m) airborne LiDAR DEM and with the aid of topographic enhancement through GIS tools. New paleoseismic results in two trenches opened near two previously published ones less than 150m to the east were reported, which allows a comprehensive comparison of four trenches in such aspects as geomorphic setting, sedimentary environment, number of paleoseismic events and their deformation styles. The new paleoseismic results reveal a discontinuous paleoseismic sequence at 37380±880BP including 5 events with different levels of certainty. The authors found that despite the fact that these trenches are located within short distances from each other, the stratigraphic resolution and paleoseismic event evidence exposed considerable difference from trench to trench. This implies that paleosiesmic results, such as the total number and robustness of stratigraphic evidence of paleoearthquakes, strongly depend on site location. Favorable depositional environmenrts for an excellent preservation of paleoseismic record include topographic lows such as pull-apart basins allowing for low-energy and fine graine size deposition as well as high sedimentation rate for strike-slip fault. Examples presented here suggest that largescale tecto-geomorphic mapping, especially based on the high-resolution topography, is important for site selection, and such an exercise is a necesssary reconnaissance step before opening a trench to maximize the quality of paleoseismic investigation. Such a practice also shows the great potential and usefulness of airborne LiDAR data in better quantification of fault rupture behavior and fault activity in general.
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Keywords:
- airborne LiDAR /
- GIS tools /
- paleoseismology /
- tecto-geomorphic mapping /
- new application
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古地震是活动断裂研究中定量揭示断裂活动历史的重要手段，基于此，获得的完整、连续的古地震序列是研究断裂活动习性及地震安全性评价的重要基础数据[1-4]。古地震研究的核心在于，获得相对较长、连续、精确的古地震序列，为活动断裂的量化研究提供基础数据。为了获得完整的古地震序列，古地震研究点的选择至关重要，一定程度上决定了古地震研究的成败[5-6]。前人对古地震研究选点的重要性和古地震信息记录的完整性进行了充分讨论[5-6]，但缺乏位于断裂同一段落、不同微地貌点古地震探槽的实例对比和基于微地貌分析的选址研究。笔者在对比分析松山古地震研究点已有的4个古地震探槽的基础上，提出并探讨了以下科学问题：分布于断裂同一段落、相距不远应具有相同地震活动性的不同微地貌位置古地震探槽差别究竟有多大？应该选择什么样的微地貌位置开展古地震研究？有没有一种高效的方法对研究点的古地震研究潜力进行合理的评判？
古地震探槽中揭示的地层序列及构造变形是断错地貌演化的沉积响应，古地震选址是选择具有连续高分辨率沉积的微地貌点，从而尽可能完整准确地记录地震事件。地震对地表形态改造的尺度通常是米级甚至是厘米级，精确测量这些微地貌几何形态及其变形速率对理解活动断裂的行为模式至关重要[7]，同时也是古地震探槽选址的重要前提。机载LiDAR以其对微地貌形态的高精度刻画为活动构造研究带来了新机遇，基于高精度LiDAR数据的活动断裂量化研究层出不穷[8-15]，为深刻理解断裂活动习性提供了极大的便利。高精度LiDAR技术在快速获取高分辨率地貌形态的同时，利用去植被技术对地貌形态进行真三维显示[16]，并且在GIS平台对研究区域进行渲染分析，凸显微地貌特征，使对研究区域的大比例尺地貌填图揭示研究点微地貌演化成为可能。
本文基于高精度机载LiDAR数据在GIS平台的分析[12-14]，对海原断裂老虎山段松山古地震研究点进行1∶1000大比例尺地貌填图，了解研究区域的微地貌演化。在2007年开挖探槽的西侧重新开挖了2个新的古地震探槽，进行了细致解译和地震事件的识别，对年代学样品进行了测试。新开挖的古地震探槽揭示了37380±880BP（BP含义：1950年为14C年龄的起点即0 BP，14C法所测定的年龄实质上就是从1950年后推到样品停止与大气进行碳交换的时间，通常表示为BP）以内5次不连续的古地震序列，与2007年古地震探槽揭示的4次连续的复发间隔约为1000a的古地震序列形成鲜明对比。4个探槽虽然位于断裂的同一段落，各自相距不足150m，但揭露的古地震信息差别极大。结合研究点已有的4个探槽在微地貌位置、沉积环境、地震事件、信号强弱等方面的对比，充分展示了不同地貌点古地震研究结果的差别，并对古地震研究点的选择进行了论述。同时本文以实例的形式揭示了基于高精度LiDAR数据对研究点进行精细地貌填图，从而了解研究区微地貌演化对高效开展古地震研究有重要作用。
1. 基于高精度LiDAR数据的松山古地震研究点微地貌解译
海原断裂是青藏高原东北缘重要的走滑断裂，历史上发生过很多破坏性极大的地震，如1920年的海原地震[17-22]形成长约230km的地表破裂带和约10m的最大同震位移[17-18]。相比海原断裂东段，景泰以西的上百千米，如老虎山段近1000a没有7级以上的强震记录，被认为是地震空区，有极高的地震危险性，开展相应区域的活动断裂量化研究至关重要[22（] 图 1）。2011年10月，中国地震局地质研究所项目组采集了海原断裂沿线长约140km的高分辨率三维地形[6-7]，对机载LiDAR技术运用于中国活动断裂量化研究提供了基础数据。
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图 1 海原断裂构造简图[25]（a）和海原断裂老虎山段构造简图（b，黑框代表松山古地震研究区域）Figure 1. The tectonic setting map of Haiyuan fault (a) and the tectonic map of Haiyuan fault along LaoHushan part (b)海原断裂老虎山段松山地区相对干燥的气候极利于断裂活动形成的断错地貌的保存，已有的高精度机载LiDAR数据对微地貌形态的清晰刻画为开展研究点活动构造量化研究提供了有利条件。本研究由高精度机载LiDAR数据生成分辨率为1m的DEM[7, 9]（数字高程模型），采用GIS平台制作研究区的山影图（太阳光照角分别为345°和45°）、2m等高线图、坡度图等地形地貌图（图版Ⅰ），使相关地貌特征更加凸显，微地貌的识别更加容易。依据坡度变化、等高线变形、高程变化及山影效果，对研究点的微地貌进行了划分，细致描绘了断层的高精度几何形态[23]，并通过野外调查进行了相应的验证。
由于植被的覆盖，发育于断层南侧由断层错断活动形成的断头沟野外识别度较低，但是利用去植被点云数据制作的DEM在GIS平台渲染分析清晰地揭示了断头沟的几何形态，充分展示了高精度Li-DAR数据对微地貌形态的有力刻画（图版Ⅰ）。地貌填图揭示（图 2），研究区发育了包括由于近期雨水作用而形成的小型冲洪积扇在内的6期冲洪积扇体，不同时期水动力条件的差异、不同期次的冲洪积扇体的规模明显不同。在冲洪积扇面发育侵蚀作用形成的细小纹沟，不同年龄的冲洪积扇面的侵蚀程度和沉积物特征明显不同，精度较高的LiDAR数据对此有清晰的展示。研究区断裂几何形态平直，近线性展布，断层陡坎清晰，由于分支断裂的存在及其与主断裂的相互作用，局部地区发育挤压脊和小型拉分盆地。在拉分盆地内部，季节性降雨而沉积的近期沉积物与较老沉积物之间的界线清晰可见。断裂附近发育有断层活动造成的不同规模位错（2~126m）的断头河、阶地等断错地貌。由于清晰的阶地位错，该地也成为滑动速率测量的优选点[22, 24]。值得注意的是，原来较为明显的地貌特征，受后期黄土沉积的作用，清晰度有所降低。
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图 2 基于机载LiDAR数据的精细地貌填图a—填图区域的山影图及等高线变形（等高线间距2m）；b—精细地貌填图Figure 2. The large-scale tecto-geomorphic map of the study area based on LiDAR data2. 海原断裂老虎山段松山附近的古地震
2007年研究组成员[25]在海原断裂老虎山段松山古地震研究点开挖了2个探槽（T3、T4），分别位于控制小型拉分盆地的南、北分支断裂上，北支断裂的断层陡坎切穿冲洪积扇，形成近1m的断层陡坎，拉分盆地长约1km，宽约300m（图 2、图 3）。2个探槽均揭示了3组高分辨率的沉积地层，上部为亚粘土质的黄土层；中部为砂层和泥炭层的互层，分辨率极高；下部为静水沼泽相或湖相层理清晰的粘土层。不同的是，T4探槽中有数层分选较好、磨圆度不高的典型近源冲洪积砾石层[25（] 图 4）。总体看来，2个探槽揭示的沉积序列分辨率较高，利于地震事件的识别和区分。依据古地震的识别标志及不确定性分析，识别出4次距今3500~3900a的确信度不同的古地震事件，地震事件的重复间隔约为1000a。
为了对先前识别的古地震事件进行验证补充，完善松山研究点的古地震序列，2014年研究组成员在小型拉分盆地西侧约150m的冲洪积扇上又布置了2个探槽。其中T1探槽（图 2、图 3）靠近挤压脊的前缘，在较老的大型冲洪积扇趾部，同时可能沉积有来自西侧冲积扇的冲积物。挤压脊在地貌上清晰可见，宽约35m, 长约157m，与相邻的冲洪积扇面形成近2m的高差，挤压脊的形成受控于北侧的小分支断裂与南侧的主断裂之间的相互作用。T1探槽长27m，宽4m，深5.1m，垂直断层走向布设。T2探槽（图 2、图 3）在T1探槽东侧约80m, 位于小型冲洪积扇的边缘，挤压脊的后缘，但是地势相对T1低10m左右，东侧靠近小型拉分盆地。T2探槽长20m，宽3m，深4.5m，垂直于断层走向布设。
对2个探槽壁进行数次修整，使探槽壁平整清晰地展示沉积地层和构造变形现象。用棉线和水平仪将探槽壁分割为1m×1m的网格，并用数码相机对每一个小网格进行拍摄记录。在野外用小型打印机打印出各网格地层的照片作为底图，对探槽壁上的地层、构造进行描绘、解释和注释[15]。其中，由于T2探槽揭露的沉积地层的分辨率极低，细致的划分和识别地震事件较难，因此对T2探槽只进行了粗略解译。
2.1 探槽的沉积地层
依据探槽所揭示的沉积物的岩性、粒度、颜色、分选、磨圆等沉积结构和构造，对沉积序列进行了对比和划分，并依据沉积物序列之间的区分度赋予不同确信值，从而使基于沉积地层的构造变形分析断层分期活动变得更加准确。
T1探槽揭示的主要沉积序列可分为3组，上部为风积成因的黄土或次生黄土，厚约1.1m，靠近断层剪切带的部位深度变大，最大深度1.4m，上部地层内部各层间的主要区别在于生物和气候作用引起的颜色差别，上部地层受生物扰动作用较强，现代植物根系发育。中部为多期冲洪积扇沉积的砾石层，厚度约3m，砾石层的分选磨圆较差，为典型的近源堆积物，各层之间的主要区别为粒度和颜色（图 4）。下部为湖相沉积的泥层，厚度约1.2m，内部区分度极差，各层划分及描述详见表 1。
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图 4 4个不同探槽揭示的古地震信息对比[25]Figure 4. The comparison of paleoseismology information among four trenches表 1 T1探槽揭示的沉积地层Table 1. The description of sedimentary sequences revealed by T1组別 编号 地层特征描述 区分度 上部（SS-01） 10 棕色，厚度1m左右，细砂，无层理，块状构造，发育地表植物根系，在断层两侧均匀连
续展布，可作为区分地震事件的标志地层，与下部地层的界线不明显3 20 深棕色，厚度70cm左右，细砂，无层理，块状构造，与上下地层的显著区別为较深的
颜色，在断层两侧均有分布，可作为标志地层，在靠近断层处厚度由于充填楔的发育
变大4 30 棕色，厚度50cm左右，细砂，无层理，块状构造，在断层两侧均匀连续展布，可作为标
志地层区分地震事件，与上覆地层的主要区別为其较浅的颜色，与下部地层的区別
为下部地层为含砾石的冲积物36 中部（SS-02） 110 浅黄色，厚度50cm左右，细粒砾石层，分选较差，棱角状，在断层两侧均匀连续分布，
可作为区分地震事件的标志地层，与上、下覆砾石层的区別为含有棕黄色的细粒砾
石层条带4 120 浅黄色，厚度80cm左右，细粒砾石层，基质支撑，分选磨圆较差，棱角状，中间夹有一
层约20cm厚的细砂，在断层两侧连续均匀展布，可作为区分地震事件的标志地层，
与下覆地层的区別为下覆地层为细砂5 130 浅棕黄色夹黄绿色条带，厚度60cm左右，细粒砾石层，基质支撑，分选磨圆差，棱角
状，与上下地层的区別在于其夹有黄绿色的条带和沼泽相的黑泥，在断层两侧均匀
连续分布，可作为划分地震事件的标志地层4 140 浅黄色，厚度60cm左右，细粒砾石层，基质支撑，分选磨圆差，棱角状，在断层两侧
均匀连续分布，可作为识別地震事件的标志地层3 150 浅黄色，厚度不均一，局部有冲沟成因的砾石层沉积，在断层两侧间断分布 5 160 浅黄色细砂层，局部层位夹有厚度约20cm的砾石层，砾石层分选磨圆较差，颗粒支
撑，其与上下地层区別明显，但是仅发育在探槽的北侧4 170 褐色砾石层，砾石分选磨圆差，基质支撑，为近源堆积。下部有一层黄绿色细砂，总
厚度约40cm，只在探槽剖面的北侧发育，区分特征明显5 180 黄绿色极细砂，厚度约70cm，局部层位夹少量的砾石层，砾石层中砾石分选磨圆极
差，颗粒支撑。地层特征明显，但只发育在探槽剖面北侧3 185 灰色的砾石层，其中所夹的砾石分选磨圆极差，颗粒支撑，砾石层中砾石的大小差別
极大，厚度约80cm，特征极为明显，但只分布在探槽剖面北侧5 190 深黄绿色的砾石层，砾石含量较少，约为30%，颗粒支撑。地层特征明显，在探槽的
两侧均有分布，厚度约50cm4 下部(SS-03) 200 深黄色泥质层，局部区域夹有浅黄色的泥质条带和黑色的沼泽相细泥沉积，含有丰
富的炭样，厚度约60cm，特征明显，只分布于探槽剖面南侧3 300 浅黄色的泥质层，固结成岩作用较强，硬度较大，年龄相对较老，与上覆地层的区别
比较明显，探槽揭示的厚度约90cm, 只分布于探槽剖面的南侧4 2.2 古地震事件的识别
在对开挖探槽地层精细客观描绘的基础上，依据断裂活动与沉积作用的相互关系，将崩积楔、错断到地表同一层位分支断裂、充填楔等作为古地震事件的识别标志[26-29]，对探槽揭示的古地震事件进行识别与分期。综合识别古地震事件标志的信号强弱及不同标志对同一古地震事件的相互验证，对探槽内揭示的古地震事件做了不确定性分析。
T1探槽内由断层分期活动形成的剪切带清晰可见，宽约3.2m。剪切带内沉积地层受断层活动的影响，发生了明显的掀斜和褶皱变形。同时，最近一次地震事件形成的充填楔似漏斗状展布于探槽的两壁。依据野外对探槽内地层的细致划分与解译，结合室内对识别地震事件的佐证及不确定性分析，共识别出5次确信度不同的地震事件（图 5）。
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图 5 T1探槽的详细解译A—第5次地震事件的证据分布区域；B—第4次地震事件的证据分布区域；C—第3次地震事件的证据分布区域；D—第2次地震事件的证据分布区域；E—第1次地震事件的证据分布区域Figure 5. The interpretation of T1表 2 T1探槽揭示的古地震事件Table 2. The paleoseismic events obtained from T1事件编号 古地震事件识別标志 事件1 存在的证据主要为近似对称的分布于探槽两壁的充填楔(图 5-A)。探槽东壁充填楔A1、A2、A3的几何形态
似漏斗状、向下楔体宽度逐渐变小。形成的所有充填楔的破裂都终止于20层，且其内部充填的物质都为由
于牛物作用颜色相对较喑的20地层的黄土或次牛黄土，10层未受仟何断层活动的变形扰动，平行整合的覆
盖于20层之上。事件1存在的证据确凿，发震时间大致为地层20沉积的某个时间段，是T1探槽揭示的最近
一次地震事件事件2 存在的只要证据为由于断裂活动剪切作用造成30层及以下地层的系统倾斜（175°乙43°)(图 5-B)。这种现
象在探槽的两壁均有明显的显示，且与事件1的变形样式及产状明显不同。自30层中部以下的地层都发生
了明显的倾斜，而30层中部及以上地层相对稳定的近水平覆盖于30层之上。因此事件3发牛的时间与地
层30层中部位置的沉积时间大致相同，且事件2的发牛具有极高的确信度事件3 发牛的主要证据为由于断层活动造成的终止于同一沉积层位的分支断裂(图 5-C)。在探槽东壁中C1、C2、
C3分支破裂都由150层起始破裂，延伸至探槽壁底部。覆盖于150层之上的130地层的厚度在分支破裂发
育的区域厚度有明显变化，因此此地震事件发震时间为150层沉积结束层之后。但是，由于断裂活动发生
地震时，相对较年轻的地震事件会改造和切穿先前破裂于同一层位的较老地震事件，因此这种识別古地震
的方法经常用于识別比较年轻的地震事件，而对较老的地震事件有较大的不确定性。所以，事件3有可能
发牛，但具有较大的不确定性事件4 发牛的主要证据为由于断层活动发牛地震时造成地层的强烈褶皱(图 5-D)。160层之下的地层发牛了严重
的褶皱变形，而160层近水平不整合覆盖于170层之上。此次地震事件发震的时间大致为沉积地层160与
170之间。但是，由于此次地震事件的发牛在探槽内的信号只可以看到岩层褶皱变形这一信号，因此，这次
地震事件的发牛与否具有较大的不确定性事件5 发牛的主要证据为由于发牛地震时形成断层陡坎，后期遭受剥蚀堆积而形成的崩积楔(图 5-E)。在200层底
部有一个明显的、不同于周围地层的混杂堆积层，层内沉积物松散、分选磨圆极差，为典型的崩积物沉积。
探槽两壁相对应的崩积楔证明了此次地震事件的存在，同时由于200层之上古剥蚀面的存在，此次地震事
件与事件2的发震间隔有可能相距极大，中间有古地震事件的缺失2.3 古地震事件的时间限定
T1探槽上部的主要沉积物为黄土和次生黄土，由于很难找到能够代表沉积地层年龄的14C测年物质，因此主要利用光释光测年技术（OSL）来限定古地震事件的发震时间。在黄土发育的10层和20层分别采集了TR1-2和TR1-4的OSL样品，埋深分别为0.75m和1.45m。在中部的冲洪积砾石层沉积中，没有找到可供14C测年的物质。因此，在河流沉积的细砂中采集了TR1-5和TR1-8样品，埋深分别为1.85m和2.55m。OSL样品在中国地震局地质研究所新构造与年代学实验室测试，TR1-2和TR1-4样品采用细颗粒石英光释光测年法，TR1-5和TR1-8样品采用粗颗粒石英测年法[30-31]。2个14C样品在美国加州大学欧文14C实验室测试，年龄结果见表 3和表 4。
表 3 T1探槽内的OSL测年结果Table 3. The OSL ages of T1编号 埋深/m 测量方法 U-238
/(Bg-kg-1)Ra-226
/(Bg-kg-1)Th-232
/(Bg-kg-1)K-40
/(Bg-kg-1)实际含
水量环境剂量率/
(Gy.ka-1)等效剂量
/Gy年龄
/kaTR1-2 0.75 SMAR 40.6±4.4 32.9±0.4 54.0±0.5 670.7±11.0 8% 3.6±0.3 2.5±0.2 0.7±0.1 TR1-4 1.45 SMAR 36.5±4.1 29.2±0.4 45.1±0.5 560.2±9.3 10% 2.9±0.3 31.6±0.8 10.8±0.4 TR1-5 1.85 SAR 36.0±3.6 23.9±0.3 37.6±0.4 467.3±7.8 3% 2.4±0.2 32.9±0.6 13.8±0.8 TR1-8 2.55 SAR 25.7±3.7 26.4±0.4 43.6±0.4 564.7±9.3 6% 2.7±0.2 40.3±0.8 14.7±0.4 注释：Bg·kg-1为活度单位 表 4 T1探槽内的14C测年结果Table 4. The 14C ages of T1编号 现代含量 ± D14C/I ± 14C年龄/BP ± LZF14-30 0.0095 0.0010 -990.47 1.04 37380 880 LZF14-02 0.0074 0.0007 -992.61 0.74 39420 810 事件1的发震层位于埋深为1.1m的20层黄土层，依据TR1-2和TR1-4样品的年龄及埋深测得黄土的沉积速率为0.07mm/a，据此推算事件1发生的时间距今约5700a。事件2的发震层位位于次生黄土沉积的30层中部，埋深为1.70m，依据TR1-4和TR1-5样品的年龄及埋深测得此时间段沉积速率为0.13mm/a，由此推算出事件2发生的时间为距今约12723a。由于识别事件3和事件4的沉积地层层位没有合适的测年物质，因此不能精确给出事件3和事件4的发震时间。但是，可以确定的是事件3和事件4的发震时间较早，估计在距今14700a以前。发生在200层中部的事件5的年龄由事件层位上部附近的14C样品LZF14-02给出了很好的限制，发震时间约为39420±810BP。
2.4 T2探槽概述
T2探槽揭示的主要沉积序列与T1探槽相似，主要为3个不同组别。上部为风积黄土或次生黄土，中部为多期冲洪积成因的砾石层，下部为区分度极差的湖湘泥质层（图 4）。T2探槽内揭示的沉积地层与T1探槽的区别在于T2探槽内的上覆黄土层较T1探槽厚0.3m，而中部的冲洪积物较T1探槽薄1.2m。黄土层变厚的主要原因在于，T2相对于T1处于挤压脊后缘更低的地势，有利于风积黄土的堆积。T2探槽在地貌上较T1探槽更远离冲积扇趾部靠近扇头，水动力更强，沉积速率更低，因此，其中部的冲洪积沉积层的厚度较T1小。同时，由于T2探槽位于水动力条件更强的地貌点，沉积物多为区分度极差的冲洪积沉积物，因此，T2探槽揭示的沉积地层分辨率极低，细致的划分沉积地层极为困难（图 6）。
T2探槽内揭示的由于断层活动造成的剪切带和岩层的倾斜、褶皱等构造变形明显。但是，由于探槽所揭示的地层的分辨率极低，细致的划分和区别不同沉积序列几乎不可能，基于此，分析沉积作用与断层活动的相互关系，进而识别和区分地震事件难度极大。由于探槽点距离冲洪积扇的舌部更远，水动力条件更强，沉积速率极低，局部时间段存在沉积间断，因此沉积序列对地震事件的记录可能不完整，出现多期地震事件在同一层位的叠加（图 6）。
3. 松山地区4个古地震探槽的综合对比
基于高精度LiDAR数据的微地貌填图及4个探槽揭示的古地震信息，为系统对比不同探槽点的微地貌位置、古地震信息，以及探讨古地震研究点的选取提供了数据基础。研究揭示，海原断裂松山地区的4个古地震探槽位于断裂的同一段落，空间上各自相距不过150m，揭露的古地震信息差别极大。为了更好地对比4个探槽揭露的古地震信息，从微地貌位置、沉积特征和地震事件信号及强弱方面进行对比分析，对古地震研究的选址提出较为合理的建议。
4个探槽明显处于不同的微地貌位置（图 2、图 3），T1、T2位于不同规模的冲洪积扇趾部附近，但距离冲洪积扇趾部的位置和地势高低相对不同，因此沉积环境的水动力条件明显不同。T3、T4探槽位于地势较低的小型拉分盆地内部，其中T3探槽位于拉分盆地的内部，而T4探槽位于拉分盆地与小型冲洪积扇体的过渡地带。
由于微地貌位置不同，4个探槽的沉积环境明显不同，揭示的沉积序列、沉积速率和沉积连续性也明显不同。T1、T2探槽揭示的沉积序列主要为分选磨圆差、棱角状、近源沉积的分辨率极低的冲洪积砾石层，沉积物的分辨率低，不利于地震事件的精确识别和分期。T3、T4探槽揭示的主要为低能态沉积的砂土层和泥炭层的互层，不同沉积层之间的颜色明显不同，沉积层的区分度极高。T1探槽中地层140和地层200之间为明显的侵蚀接触关系，存在局部时间的沉积间断（图 5）。T3、T4探槽中，未见任何侵蚀接触的地层界线，探槽揭露的所有时间段沉积连续。T1探槽的沉积速率最大为0.29mm/a, 最小为0.07mm/a, T3探槽的沉积速率最大为1.23mm/a，最小为0.26mm/a，且最小沉积速率的持续时间没有超过700a（图 7），T3、T4探槽的沉积速率明显大于T1、T2探槽，因此有连续高分辨率的沉积地层分隔并记录不同时期的地震事件。
T3、T4探槽高分辨率的沉积地层和连续的年龄数据完整的记录了研究点3400~3800a以内的6次不同确信度的古地震事件，且每次古地震事件的证据清晰的记录于不同层位的沉积地层中。T1、T2探槽内识别出37380±880BP以内的5次不连续古地震事件，由于存在沉积间断，识别的古地震事件年龄相对较老，同时有可能存在多期古地震事件在沉积地层同一沉积层位的叠加。
由此看来，不同地貌点对古地震信息记录的能力不同，古地震研究中选择合适的地貌点开展研究至关重要。上述研究表明，具有连续高分辨率的沉积环境的T3、T4探槽点为古地震研究的优选探槽点。为了获得连续的古地震序列，以及较强的地层学证据支撑，古地震探槽应该布设在具有连续高分辨率沉积的微地貌点上，如走滑断裂的小型拉分盆地等，而基于高精度的地形数据的填图，可以方便快捷地识别出这些地貌点。
4. 结论
本次研究采用LiDAR技术获得高分辨率地形数据，进行微地貌填图，了解了研究区微地貌演化。对已经开挖的位于不同地貌点的古地震探槽进行了古地震信息解译和系统对比分析，得出以下结论。
（1）通过对海原断裂松山地区的2个新古地震探槽的开挖、古地震事件的识别与分期，获得5次37380±880BP以内的不连续古地震序列。
（2）对位于断裂相同段落、相距不远的4个古地震探槽在微地貌位置、沉积环境、地震事件、信号强弱等方面的对比分析，展示了即使位于断裂同一段落相距不足150m，不同微地貌点的古地震探槽揭示的现象差别巨大，选择合适位置开展古地震研究至关重要。
（3）通过对断裂同一段落的4个古地震探槽的对比分析，总结出较低的地势、低能静水环境、高沉积速率、细粒的沉积物源区及连续的沉积环境是古地震研究的优选地貌点，如走滑断裂上的小型拉分汇水盆地。相反，距离冲洪积扇扇头较近，具有相对较强的水动力条件的微地貌点，由于沉积速率较低，局部具有沉积间断和较低的沉积分辨率，不是理想的古地震探槽布设点。
（4）本文以实例的形式揭示了基于高精度LiDAR数据可以开展精细地貌填图（1∶1000），揭示微地貌的演化与断裂活动的互馈作用，从而为预研究点的古地震研究潜力进行合理评价，并寻找具有连续高分辨率沉积的微地貌点。
致谢: 野外工作得到中国地震局地质研究所张培震院士、郑文俊研究员和法国巴黎地球物理研究所硕士研究生Remi Matrau的指导与帮助，法国巴黎地球物理研究所Yann Klinger教授给予了充分讨论，中国地震局地质研究所闻学泽研究员对本文进行了耐心指导，在此一并表示衷心感谢。 -
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图 1 海原断裂构造简图[25]（a）和海原断裂老虎山段构造简图（b，黑框代表松山古地震研究区域）
Figure 1. The tectonic setting map of Haiyuan fault (a) and the tectonic map of Haiyuan fault along LaoHushan part (b)
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图 2 基于机载LiDAR数据的精细地貌填图
a—填图区域的山影图及等高线变形（等高线间距2m）；b—精细地貌填图
Figure 2. The large-scale tecto-geomorphic map of the study area based on LiDAR data
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图 4 4个不同探槽揭示的古地震信息对比[25]
Figure 4. The comparison of paleoseismology information among four trenches
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图 5 T1探槽的详细解译
A—第5次地震事件的证据分布区域；B—第4次地震事件的证据分布区域；C—第3次地震事件的证据分布区域；D—第2次地震事件的证据分布区域；E—第1次地震事件的证据分布区域
Figure 5. The interpretation of T1
表 1 T1探槽揭示的沉积地层
Table 1 The description of sedimentary sequences revealed by T1
组別 编号 地层特征描述 区分度 上部（SS-01） 10 棕色，厚度1m左右，细砂，无层理，块状构造，发育地表植物根系，在断层两侧均匀连
续展布，可作为区分地震事件的标志地层，与下部地层的界线不明显3 20 深棕色，厚度70cm左右，细砂，无层理，块状构造，与上下地层的显著区別为较深的
颜色，在断层两侧均有分布，可作为标志地层，在靠近断层处厚度由于充填楔的发育
变大4 30 棕色，厚度50cm左右，细砂，无层理，块状构造，在断层两侧均匀连续展布，可作为标
志地层区分地震事件，与上覆地层的主要区別为其较浅的颜色，与下部地层的区別
为下部地层为含砾石的冲积物36 中部（SS-02） 110 浅黄色，厚度50cm左右，细粒砾石层，分选较差，棱角状，在断层两侧均匀连续分布，
可作为区分地震事件的标志地层，与上、下覆砾石层的区別为含有棕黄色的细粒砾
石层条带4 120 浅黄色，厚度80cm左右，细粒砾石层，基质支撑，分选磨圆较差，棱角状，中间夹有一
层约20cm厚的细砂，在断层两侧连续均匀展布，可作为区分地震事件的标志地层，
与下覆地层的区別为下覆地层为细砂5 130 浅棕黄色夹黄绿色条带，厚度60cm左右，细粒砾石层，基质支撑，分选磨圆差，棱角
状，与上下地层的区別在于其夹有黄绿色的条带和沼泽相的黑泥，在断层两侧均匀
连续分布，可作为划分地震事件的标志地层4 140 浅黄色，厚度60cm左右，细粒砾石层，基质支撑，分选磨圆差，棱角状，在断层两侧
均匀连续分布，可作为识別地震事件的标志地层3 150 浅黄色，厚度不均一，局部有冲沟成因的砾石层沉积，在断层两侧间断分布 5 160 浅黄色细砂层，局部层位夹有厚度约20cm的砾石层，砾石层分选磨圆较差，颗粒支
撑，其与上下地层区別明显，但是仅发育在探槽的北侧4 170 褐色砾石层，砾石分选磨圆差，基质支撑，为近源堆积。下部有一层黄绿色细砂，总
厚度约40cm，只在探槽剖面的北侧发育，区分特征明显5 180 黄绿色极细砂，厚度约70cm，局部层位夹少量的砾石层，砾石层中砾石分选磨圆极
差，颗粒支撑。地层特征明显，但只发育在探槽剖面北侧3 185 灰色的砾石层，其中所夹的砾石分选磨圆极差，颗粒支撑，砾石层中砾石的大小差別
极大，厚度约80cm，特征极为明显，但只分布在探槽剖面北侧5 190 深黄绿色的砾石层，砾石含量较少，约为30%，颗粒支撑。地层特征明显，在探槽的
两侧均有分布，厚度约50cm4 下部(SS-03) 200 深黄色泥质层，局部区域夹有浅黄色的泥质条带和黑色的沼泽相细泥沉积，含有丰
富的炭样，厚度约60cm，特征明显，只分布于探槽剖面南侧3 300 浅黄色的泥质层，固结成岩作用较强，硬度较大，年龄相对较老，与上覆地层的区别
比较明显，探槽揭示的厚度约90cm, 只分布于探槽剖面的南侧4 
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表 2 T1探槽揭示的古地震事件
Table 2 The paleoseismic events obtained from T1
事件编号 古地震事件识別标志 事件1 存在的证据主要为近似对称的分布于探槽两壁的充填楔(图 5-A)。探槽东壁充填楔A1、A2、A3的几何形态
似漏斗状、向下楔体宽度逐渐变小。形成的所有充填楔的破裂都终止于20层，且其内部充填的物质都为由
于牛物作用颜色相对较喑的20地层的黄土或次牛黄土，10层未受仟何断层活动的变形扰动，平行整合的覆
盖于20层之上。事件1存在的证据确凿，发震时间大致为地层20沉积的某个时间段，是T1探槽揭示的最近
一次地震事件事件2 存在的只要证据为由于断裂活动剪切作用造成30层及以下地层的系统倾斜（175°乙43°)(图 5-B)。这种现
象在探槽的两壁均有明显的显示，且与事件1的变形样式及产状明显不同。自30层中部以下的地层都发生
了明显的倾斜，而30层中部及以上地层相对稳定的近水平覆盖于30层之上。因此事件3发牛的时间与地
层30层中部位置的沉积时间大致相同，且事件2的发牛具有极高的确信度事件3 发牛的主要证据为由于断层活动造成的终止于同一沉积层位的分支断裂(图 5-C)。在探槽东壁中C1、C2、
C3分支破裂都由150层起始破裂，延伸至探槽壁底部。覆盖于150层之上的130地层的厚度在分支破裂发
育的区域厚度有明显变化，因此此地震事件发震时间为150层沉积结束层之后。但是，由于断裂活动发生
地震时，相对较年轻的地震事件会改造和切穿先前破裂于同一层位的较老地震事件，因此这种识別古地震
的方法经常用于识別比较年轻的地震事件，而对较老的地震事件有较大的不确定性。所以，事件3有可能
发牛，但具有较大的不确定性事件4 发牛的主要证据为由于断层活动发牛地震时造成地层的强烈褶皱(图 5-D)。160层之下的地层发牛了严重
的褶皱变形，而160层近水平不整合覆盖于170层之上。此次地震事件发震的时间大致为沉积地层160与
170之间。但是，由于此次地震事件的发牛在探槽内的信号只可以看到岩层褶皱变形这一信号，因此，这次
地震事件的发牛与否具有较大的不确定性事件5 发牛的主要证据为由于发牛地震时形成断层陡坎，后期遭受剥蚀堆积而形成的崩积楔(图 5-E)。在200层底
部有一个明显的、不同于周围地层的混杂堆积层，层内沉积物松散、分选磨圆极差，为典型的崩积物沉积。
探槽两壁相对应的崩积楔证明了此次地震事件的存在，同时由于200层之上古剥蚀面的存在，此次地震事
件与事件2的发震间隔有可能相距极大，中间有古地震事件的缺失
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表 3 T1探槽内的OSL测年结果
Table 3 The OSL ages of T1
编号 埋深/m 测量方法 U-238
/(Bg-kg-1)Ra-226
/(Bg-kg-1)Th-232
/(Bg-kg-1)K-40
/(Bg-kg-1)实际含
水量环境剂量率/
(Gy.ka-1)等效剂量
/Gy年龄
/kaTR1-2 0.75 SMAR 40.6±4.4 32.9±0.4 54.0±0.5 670.7±11.0 8% 3.6±0.3 2.5±0.2 0.7±0.1 TR1-4 1.45 SMAR 36.5±4.1 29.2±0.4 45.1±0.5 560.2±9.3 10% 2.9±0.3 31.6±0.8 10.8±0.4 TR1-5 1.85 SAR 36.0±3.6 23.9±0.3 37.6±0.4 467.3±7.8 3% 2.4±0.2 32.9±0.6 13.8±0.8 TR1-8 2.55 SAR 25.7±3.7 26.4±0.4 43.6±0.4 564.7±9.3 6% 2.7±0.2 40.3±0.8 14.7±0.4 注释：Bg·kg-1为活度单位
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表 4 T1探槽内的14C测年结果
Table 4 The 14C ages of T1
编号 现代含量 ± D14C/I ± 14C年龄/BP ± LZF14-30 0.0095 0.0010 -990.47 1.04 37380 880 LZF14-02 0.0074 0.0007 -992.61 0.74 39420 810
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